Tema 5 de los exámenes profesionales para ingenieros químicos: Transferencia de calor
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Este mensaje fue modificado por última vez por zhanghp30 el 29-9-2019 a las 14:22.1. Conocimientos especializados:
1) Conceptos básicos: densidad de flujo térmico, flujo térmico, ley de Fourier, gradiente de temperatura. Es importante prestar atención a los factores que influyen en los coeficientes de conductividad térmica de los diferentes materiales. Casi todos los años se presentan preguntas de tipo múltiple selección al respecto. Para más detalles, consulte los libros de texto de la Universidad de Tianjin. No es necesario memorizar nada; basta con anotar las fórmulas.
2) Fórmulas de conducción térmica en paredes planas y cilindros, concepto de aislamiento térmico. Relación entre la diferencia de temperatura y la resistencia térmica en procesos de conducción térmica en estado estacionario.
3) Fórmula para la turbulencia forzada en tuberías circulares rectas: lalufa*d/lanbuda=0.023*Re^0.8*Pr^n. Es importante saber cómo utilizar esta fórmula para realizar análisis cualitativos 4). Conceptos y gráficos de la ebullición en película y la ebullición nuclear: véase el libro de texto “Principios de Química Industrial”, volumen 1, de la Universidad de Tianjin; casi todos los años se incluyen preguntas de selección múltiple al respecto 5). Fórmula de equilibrio térmico en la transferencia de calor, cálculo del coeficiente total de transferencia de calor, fórmulas para calcular el área de intercambio de calor, concepto de número de unidades de transferencia de calor. Véase el material didáctico para más detalles. 1). Las siguientes afirmaciones sobre el coeficiente de conductividad térmica son correctas (ABC):
A. En general, los metales tienen un coeficiente de conductividad mayor que los no metales.
B. El cobre puro tiene un coeficiente de conductividad varias decenas de veces mayor que el acero inoxidable.
C. El coeficiente de conductividad térmica de los metales disminuye a medida que aumenta la temperatura.
D. El coeficiente de conductividad térmica de los gases no depende de la temperatura.
2). En cuanto a la conducción térmica en paredes planas multicapa en estado estacionario, las siguientes afirmaciones son correctas (BCD):
A. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, mayor será el coeficiente de conductividad.
B. La capa con la mayor diferencia de temperatura tendrá la mayor resistencia térmica.
C. La cantidad de calor transferido por unidad de área es la misma en todas las capas.
D. La cantidad de calor transferido en cada capa es la misma.
3). En cuanto al coeficiente de transferencia de calor por convección forzada en tuberías, la siguiente afirmación es incorrecta (A):
A. Las tuberías rectas tienen un coeficiente de transferencia de calor mayor que las tuberías curvas.
B. La convección turbulenta tiene un coeficiente de transferencia de calor mayor que la convección laminar.
C. Las tuberías cortas tienen un coeficiente de transferencia de calor mayor que las tuberías largas.
D. Las tuberías de forma especial tienen un coeficiente de transferencia de calor mayor que las tuberías circulares.
4). Para calcular el coeficiente de transferencia de calor por convección forzada en tuberías, la temperatura cualitativa adecuada es: (C)
A. La media aritmética de la temperatura de entrada del fluido y la temperatura de la pared.
B. La temperatura de la pared.
C. La media aritmética de las temperaturas de entrada y salida del fluido.
D. La media logarítmica de las temperaturas de entrada y salida del fluido.
5). Para mejorar el coeficiente de transferencia de calor en la condensación del vapor, las siguientes medidas son correctas (ABC):
A. Cambiar la orientación de las tuberías de vertical a horizontal.
B. Disminuir la humectabilidad del agua sobre la superficie de condensación.
C. Aumentar la velocidad del flujo de vapor.
D. Aumentar la rugosidad de la superficie de condensación.
6). En un intercambiador de calor de tipo tubo-shell, si se utiliza vapor saturado para calentar aceites ligeros, y se desea mejorar el coeficiente total de transferencia de calor K, las medidas adecuadas son: (B)
A. Cambiar la configuración de flujo de paralelo a contracorriente.
B. Aumentar la velocidad del flujo del aceite ligero dentro de las tuberías.
C. Aumentar la presión del vapor saturado.
D. Aumentar el caudal de vapor saturado.
7). Para enfriar aceites a alta temperatura de 200°C utilizando agua circulante, ¿qué tipo de intercambiador de calor es adecuado? (AC)
A. Interchangeador de tipo flotante.
B. Interchangeador de tipo placa fija.
C. Interchangeador de tipo U.
D. Enfriador por aire.
8). Al utilizar un intercambiador de calor de tipo tubo-shell para calentar un fluido de alta viscosidad con vapor a presión media, ¿qué configuración es adecuada? (A)
A. El vapor fluye dentro de las tuberías, mientras que el fluido a calentar fluye fuera de ellas.
B. El vapor fluye fuera de las tuberías, mientras que el fluido a calentar fluye dentro de ellas.
C. No hay diferencia significativa entre las dos configuraciones.
D. Los intercambiadores de tipo tubo-shell no son adecuados para este caso.
9). En un evaporador, donde se utiliza vapor a presión media para evaporar soluciones de sales inorgánicas, la diferencia de temperatura promedio ideal es: (D)
A. Diferencia de temperatura entre la entrada y salida del vapor.
B. Diferencia de temperatura entre la entrada y salida de la solución.
C. Diferencia de temperatura promedio logarítmica entre el vapor y la solución.
D. Diferencia de temperatura entre el vapor y la solución.
10). El orden correcto de los coeficientes de transferencia de calor por convección es: (B)
(1) Coeficiente de Alfa cuando el vapor se condensa en gotas.
(2) Coeficiente de Alfa cuando la velocidad del flujo de aire es de 15 m/s.
(3) Coeficiente de Alfa cuando la velocidad del flujo de agua es de 1.5 m/s.
A. (1) > (2) > (3)
B. (1) > (3) > (2)
C. (3) > (1) > (2)
D. (3) > (2) > (1)
11). Cuando el benceno fluye de manera turbulenta en una tubería circular de 20 mm de diámetro, el coeficiente de transferencia de calor por convección es de 1270 W/m²·K. Si la velocidad del flujo y las propiedades físicas permanecen constantes, pero el diámetro de la tubería aumenta a 30 mm, entonces el coeficiente de transferencia de calor por convección será: (C)
A. Permanece igual.
B. 2540 W/m²·K.
C. 612 W/m²·K.
D. No se puede determinar.
12). Un horno está construido con ladrillos refractarios de 0.3 m de espesor, ladrillos aislantes de 0.15 m de espesor y ladrillos comunes de 0.25 m de espesor. La temperatura de la superficie interna es de 1530 K, mientras que la temperatura de la superficie externa es de 325 K. La pérdida de calor por unidad de área es de (A) W: A) 937,2 B) 1028 C) 789 D) 1560.
13). En el proceso de transferencia de calor por condensación del vapor, el efecto del gas no condensable en el coeficiente de transferencia de calor es (A): A) Disminuir B) Aumentar C) No tener efecto D) Imposible determinar.
14). En el caso de la ebullición en recipientes grandes, industrialmente siempre se controla el proceso en estado (B): A) Convección natural B) Ebullición por nucleación C) Ebullición en capa fina D) Ebullición inestable en capa fina.
15). En general, para el mismo fluido, lo correcto respecto al coeficiente de transferencia de calor por convección es (C): A) En convección forzada es menor que en convección natural; además, cuando hay cambio de fase, el valor es menor que cuando no hay cambio de fase. B) En convección forzada es mayor que en convección natural; además, cuando hay cambio de fase, el valor es menor que cuando no hay cambio de fase. C) En convección forzada es mayor que en convección natural; además, cuando hay cambio de fase, el valor es mayor que cuando no hay cambio de fase. D) En convección forzada es menor que en convección natural; además, cuando hay cambio de fase, el valor es mayor que cuando no hay cambio de fase.
16). El vapor de agua saturado se condensa fuera de un tubo circular con un diámetro exterior de 20 mm y una longitud de 2 m. Siempre que las demás condiciones permanezcan iguales, si el tubo se coloca horizontalmente en lugar de verticalmente, el coeficiente de transferencia de calor disminuye (A): A) A la mitad B) Un poco B) No cambia.
17). Para reducir la resistencia térmica causada por la suciedad, se debe (D): A) Disminuir la velocidad del flujo B) Utilizar tubos con mayor rugosidad C) Utilizar paredes de tubo con mayor coeficiente de conductividad térmica D) Limpiar los tubos periódicamente.
18). En los intercambiadores de calor por tubos, la resistencia térmica causada por la suciedad puede ser ignorada. Cuando el coeficiente de transferencia de calor del fluido fuera del tubo es mucho mayor que el del fluido dentro del tubo, para mejorar el coeficiente total de transferencia de calor, lo importante es (B): A) Aumentar la velocidad del fluido fuera del tubo B) Aumentar la velocidad del fluido dentro del tubo C) Reducir la suciedad D) Reducir el espesor de la pared del tubo.
19). Industrialmente, se utilizan tubos con aletas en lugar de tubos metálicos con el objetivo de (C): A) Aumentar la resistencia térmica B) Ahorrar acero y mejorar la apariencia C) Aumentar la superficie de transferencia de calor y mejorar su eficacia D) Reducir las pérdidas de calor.
20). Los intercambiadores de calor de tipo helicoidal son adecuados para (D) situaciones. A Alta presión B Alta temperatura C Revisión frecuente D Presión no alta; los dos fluidos fluyen en dirección opuesta
Este mensaje fue editado por última vez por zhanghp30 el 31-3-2016 a las 22:06.
2. Conocimientos relacionados con los casos de uso:
1). En un intercambiador de calor de tipo tubular con dos circuitos, se introduce vapor de agua saturado en el lado del casco para calentar el aire que se encuentra dentro de los tubos. El vapor de agua saturado a 110°C se condensa en agua a la misma temperatura. De esta manera, el aire pasa de una temperatura de 20°C a 80°C. ¿Cuál será entonces la temperatura de salida del primer circuito?
Para un intercambiador de dos circuitos: Q = Wc·CP·(t2 – t1) = KS·ΔT.
ΔT = 54,6°C.
Wc·CP·(80 – 20) = KS·54,6 …… (1)
Para el primer circuito: Wc·CP·(t1 – 20) = KS/2 · (t1 – 20) / ln((11 – 20) / (110 – t1)) …… (2)
t1 = 58°C. ¡Tenga en cuenta las técnicas para resolver este problema! 2). En los intercambiadores de calor en flujo paralelo, el aceite se enfría con agua. Las temperaturas de entrada y salida del agua son 25°C y 40°C, respectivamente. Las temperaturas de entrada y salida del aceite son 150°C y 100°C, respectivamente. Ahora, debido a los requisitos de la producción, la temperatura de salida del aceite debe ser de 80°C. Se supone que el caudal de aceite y agua, así como las temperaturas de entrada y salida y las propiedades físicas, permanecerán constantes. Si la longitud original de los tubos del intercambiador de calor es de 1,2 m, ¿cuál debería ser la nueva longitud de los tubos para cumplir con este requisito? Se ignora la pérdida de calor. La diferencia de temperatura promedio inicial era detat1 = 88,6 °C. Cuando T2’ = 80 °C, la temperatura de salida del fluido frío es whcph/wccpc = (t2 – t1) / (T1 – T2) = (t2’ – t1) / (T1 – T2’). Dado que t2’ = 46 °C, entonces deta t2’ = 69,9 °C. Por lo tanto, WhCPh(150–100) = K * (N PAI d L1) * 88,6……(1). WhCph(150–80) = K * (N PAI d L2) * 69,9……(2). Dividiendo (2) entre (1), se obtiene que L2 = 2,13 m. En un intercambiador de calor de tubos de un solo paso, una solución fluye de forma turbulenta dentro de los tubos, con un caudal de 10800 kg/h y una capacidad térmica promedio de 4,18 kJ/kg·°C. La solución se calienta de 15 °C a 100 °C. El coeficiente de transferencia de calor por convección dentro de los tubos es de 600 W/m²·°C. A una temperatura de 110 °C, el vapor de agua saturado se condensa en agua a la misma temperatura; el coeficiente de transferencia de calor por convección en este caso es de 12000 W/m². Las especificaciones de los tubos son Q25*2,5 mm, con un total de 160 tubos. El coeficiente de conductividad térmica de los tubos es de 17 W/m²·°C. Se ignoran las pérdidas por suciedad y otras pérdidas térmicas. Se desea determinar la longitud total de los tubos cuando hay 4 hilos de tubos. 4 tuberías de intercambio térmico; ai = 4^0,8 = 1819 W/m²·°C. K0’ = 1156 W/m²·°C. ΔTm = 37,8 °C. Q = Wc·Cp·(t2 – t1) = 10800/3600 * 4,18 * (100 – 15) = 1065,9 KW. S0’ = Q/K0’. ΔTm = 1065,9 * 1000 / 1156 / 37,8 = 24,4 m². L’ = S0’ / (π·n·d0) = 24,4 / (160 * 3,14 * 0,025) = 1,94 m. 4) Existe un intercambiador de calor de 15 m², donde el vapor saturado fluye en el lado del casco para calentar el aire dentro de las tuberías. El vapor de agua a 160°C se condensa en agua a la misma temperatura. Flujo de aire: 2,8 kg/s; temperatura de entrada: 30 °C; capacidad calorífica específica: 1 KJ/KG·°C; coeficiente de transferencia de calor por convección: 87 W/M²·°C. Se desea determinar la temperatura de salida del aire. El vapor se convierte en aire; por lo tanto, K~~a aire = 87. Además, Q = WcCp(t2-t1) = KS dt. Entonces, 2.8*1000(t2-30) = 87*15*(t2-30)/Ln((160-30)/(160-t2)). De esto se obtiene que t2 = 78.4°C. En un intercambiador de calor con una superficie de transferencia de calor de 50 m², se utiliza agua de enfriamiento a una temperatura de 20°C y con un caudal de 33000 kg/h, para enfriar ácido acético cuya temperatura de entrada es de 110°C. Los dos fluidos fluyen en dirección contraria. Después de limpiar el intercambiador y ponerlo en funcionamiento, las temperaturas de salida del agua de enfriamiento y del ácido acético son de 45°C y 40°C respectivamente. Después de un tiempo de funcionamiento, el caudal y la temperatura de entrada de los fluidos no cambian, pero la temperatura de salida del agua de enfriamiento disminuye a 38°C. ¿Cuál es entonces la resistencia térmica causada por la suciedad? Calor específico del agua 4200 J/KG/K, ignorando los cambios en las propiedades físicas. W1CP1/W2CP2 = t2 – t1 / (T1 – T2) = 45 – 20 / (110 – 40) = 0,357.
ΔTm = (T1 – T2) – (T2 – T1) / ln(T1 – T2) / (T2 – T1) = 38,2 °C.
K = W2CP2 * (t2 – t1) / A.
ΔTm = 33000 / 3600 * 4200 * (45 – 20) / 50 / 38,2 = 504 W/M²·K.
Después del funcionamiento, T2’ = T1 – W2CP2 * (t2 – t1) / W1CP1 = 110 – (38 – 20) / 0,357 = 59,6 °C.
ΔTm’ = 54,2 °C.
K’ = W2CP2 * (t2 – t1) / A.
ΔTm’ = 255,7 W/M²·K.
1/504 = 1/a1 + 1/a2; 1/255,7 = 1/a1 + 1/a2 + R. Al restar, se obtiene R = 1,93 * 10^-3 M²·K/W.
6). Un intercambiador de calor de tipo tubular compuesto por tubos de 57 mm * 3,5 mm y 89 mm * 4,5 mm. Una solución fluye dentro de los tubos, con un caudal de 5 t/h. La temperatura de la solución disminuye de 65 °C a 35 °C. El coeficiente de transferencia de calor por convección es a2 = 1510 W/M²·°C. El agua de enfriamiento fluye en contracorriente entre los tubos; su temperatura de entrada es de 25 °C y su temperatura de salida es de 40 °C. El coeficiente de transferencia de calor debido al flujo del agua de enfriamiento es a1 = 3270 W/M²·°C. Se ignoran las pérdidas térmicas y la resistencia térmica de las paredes de los tubos y de la suciedad. Se sabe que el calor específico promedio de la solución es de 2,6 kJ/kg·°C. ¿Cuál es la longitud teórica de los tubos del intercambiador de calor? Q = WhCph(T1 – T2) = 5000/3600 * 2.6 * 1000 * (65 – 35) = 1.083 * 10^5 W. Dado que t2 > T2, se trata de un flujo en contracorriente. deta tm = 16.37 °C; K = 942.71 W/m²·°C. L = Q/K * deta tm. d = 39.19 m. El coeficiente de transferencia de calor por convección cuando el fluido fluye a través de un tubo circular de diámetro interno de 50 mm es de 100 W/m²·°C. En este caso, Re = 10^5, lo que indica un estado de calentamiento por turbulencia dentro del tubo. Si se utiliza en su lugar un tubo rectangular cuya longitud sea igual al perímetro del tubo circular y cuya relación entre altura y ancho sea de 1:3, manteniendo constante la velocidad del fluido, ¿cuál será el nuevo coeficiente de transferencia de calor por convección? Supongamos que la altura del rectángulo es a y su ancho es b. Se tiene que a/b = 1/3. Además, 2(a+b) = πd. Por lo tanto, a = πd/8 y b = 3πd/8. El valor de de es 2ab/(a+b) = 0,0294 m. Re’ = de·pu/u = 0,0294 pu/u; Re = 0,05 pu/u. A’/a = 0,023·lanbuda/(De^(0,8)·Pr^(0,4))/0,023·lanbuda/(Re^(0,8)·Pr^(0,4)) = 0,05/0,0294·(0,0294/0,05)^(0,8) = 1,112. Por lo tanto, A’ = 1,112·100 = 111,2 W/m². Las paredes de la chimenea están construidas con un material refractario de 120 mm en la capa interior y un material de construcción de 230 mm en la capa exterior. El coeficiente de conductividad térmica de ambos materiales es desconocido. Se midió una temperatura de 800 °C en la pared interior del horno, y de 113 °C en su pared exterior. Posteriormente, se cubrió la superficie exterior de los materiales de construcción con aislante de amianto, cuyo espesor era de 50 mm y cuyo coeficiente de conductividad térmica era de 0,2 W/M·°C, con el fin de reducir las pérdidas de calor. Después del aislamiento, la temperatura en la pared interior del horno es de 800 °C; en la interfaz entre los materiales refractarios y los materiales de construcción, la temperatura es de 686 °C; en la interfaz entre los materiales de construcción y el amianto, la temperatura es de 405 °C; y en la superficie exterior del amianto, la temperatura es de 77 °C. ¿Cuál es el porcentaje de reducción en la pérdida de calor después de aislar con amianto? Antes del embalaje: Q/A = (t1-t3) / (s1/lanbuda1 + s2/lanbuda2). Q’/A = (t1-t3’) / (s1/lanbuda1 + s2/lanbuda2). Porcentaje de disminución: (Q/A – Q’/A) / Q/A = (t3’-t3) / (t1-t3) = 405-113 / 800-113 = 42.5%.
9). Un tubo de vapor con un diámetro exterior de 100 mm está revestido por un material aislante de 50 mm de espesor, cuya constante de conductividad térmica es LANBUDA A = 0.05 W/m²·K. Este material aislante está a su vez revestido por otro material aislante de 25 mm de espesor, cuya constante de conductividad térmica es LANBUDA B = 0.075 W/m²·K. Las temperaturas en la superficie interior de A y en la superficie exterior de B son respectivamente 170 °C y 38 °C. Se desea determinar la temperatura en la interfaz entre A y B. La pérdida de calor por cada metro de longitud del tubo es Q/L = 2PAI × (t1 – t3) / (1/lanbudaA × Ln(r2/r1)) + 1/lanbudaB × Ln(r3/r2) = 49,3 W/m. También se tiene que 2PAI × (170 – t2) / (1/0,05 × Ln(100/50)) = 49,3; por lo tanto, t2 = 61,3 °C. Se trata de un condensador compuesto por tubos de tipo Q25*2,5 MM, con una longitud efectiva de 3,0 m. El refrigerante fluye a través de los tubos a una velocidad de 0,7 m/s. La temperatura del refrigerante aumenta de 20 °C a 50 °C. Flujo de 5000 kg/h, temperatura de 75 °C. El vapor saturado se condensa en agua a la misma temperatura. La energía latente es de 310 kJ/kg. Se ha determinado que el coeficiente de transferencia de calor por condensación del vapor es de 800 W/m²·K. El coeficiente de transferencia de calor por convección del refrigerante es de 2500 W/m²·K. La resistencia térmica debido a la suciedad en el lado del refrigerante es de 0,00055 m²·K/W. La resistencia térmica debido a la suciedad en el lado del vapor y la resistencia térmica de las paredes de los tubos se consideran despreciables. Calcule el área de intercambio térmico de dicho intercambiador, y determine el número total de tubos de intercambio térmico así como el número de circuitos en el mismo. La capacidad calorífica del refrigerante es de 2,5 KJ/KG·°C, y su densidad es de 860 kg/m³. La cantidad de calor liberada por el vapor es Q = qm·r = 5000/3600·310·1000 = 4,31·10^5 W. La temperatura media es de 38 °C. La constante K se calcula como K = 1/a1 + 1/a2·(d1/d2) + Rs²·(d1/d2); en este caso, K = 410 W/m²·°C. El área de intercambio de calor es A = Q/K·ΔTm = 27,2 m². La cantidad de refrigerante necesario es qm² = Q/Cp·(t2-t1) = 4,31·10^5 / 2,5·10^3·(50-20) = 5,75 kg/s. El número de tubos necesarios para cada paso de intercambio de calor se calcula a partir de la cantidad total de refrigerante y del caudal de refrigerante por tubo: ni = qm²/0,785·d2. El valor de uP2 es 5,75/0,785/0,02·0,02/0,7/860 = 30. El área de intercambio de calor por tubo es Ai = ni·PAi. El largo total de los tubos es L = 30·3,14·0,025·3 = 7,07 m². El número total de tubos es N = A/Ai = 27,2/7,07 = 3,9. Redondeando, N = 4. Por lo tanto, el número total de tubos es 30·4 = 120.
2. Conocimientos relacionados con los casos de uso:
1). En un intercambiador de calor de tipo tubular con dos circuitos, se introduce vapor de agua saturado en el lado del casco para calentar el aire que se encuentra dentro de los tubos. El vapor de agua saturado a 110°C se condensa en agua a la misma temperatura. De esta manera, el aire pasa de una temperatura de 20°C a 80°C. ¿Cuál será entonces la temperatura de salida del primer circuito?
Para un intercambiador de dos circuitos: Q = Wc·CP·(t2 – t1) = KS·ΔT.
ΔT = 54,6°C.
Wc·CP·(80 – 20) = KS·54,6 …… (1)
Para el primer circuito: Wc·CP·(t1 – 20) = KS/2 · (t1 – 20) / ln((11 – 20) / (110 – t1)) …… (2)
t1 = 58°C. ¡Tenga en cuenta las técnicas para resolver este problema! 2). En los intercambiadores de calor en flujo paralelo, el aceite se enfría con agua. Las temperaturas de entrada y salida del agua son 25°C y 40°C, respectivamente. Las temperaturas de entrada y salida del aceite son 150°C y 100°C, respectivamente. Ahora, debido a los requisitos de la producción, la temperatura de salida del aceite debe ser de 80°C. Se supone que el caudal de aceite y agua, así como las temperaturas de entrada y salida y las propiedades físicas, permanecerán constantes. Si la longitud original de los tubos del intercambiador de calor es de 1,2 m, ¿cuál debería ser la nueva longitud de los tubos para cumplir con este requisito? Se ignora la pérdida de calor. La diferencia de temperatura promedio inicial era detat1 = 88,6 °C. Cuando T2’ = 80 °C, la temperatura de salida del fluido frío es whcph/wccpc = (t2 – t1) / (T1 – T2) = (t2’ – t1) / (T1 – T2’). Dado que t2’ = 46 °C, entonces deta t2’ = 69,9 °C. Por lo tanto, WhCPh(150–100) = K * (N PAI d L1) * 88,6……(1). WhCph(150–80) = K * (N PAI d L2) * 69,9……(2). Dividiendo (2) entre (1), se obtiene que L2 = 2,13 m. En un intercambiador de calor de tubos de un solo paso, una solución fluye de forma turbulenta dentro de los tubos, con un caudal de 10800 kg/h y una capacidad térmica promedio de 4,18 kJ/kg·°C. La solución se calienta de 15 °C a 100 °C. El coeficiente de transferencia de calor por convección dentro de los tubos es de 600 W/m²·°C. A una temperatura de 110 °C, el vapor de agua saturado se condensa en agua a la misma temperatura; el coeficiente de transferencia de calor por convección en este caso es de 12000 W/m². Las especificaciones de los tubos son Q25*2,5 mm, con un total de 160 tubos. El coeficiente de conductividad térmica de los tubos es de 17 W/m²·°C. Se ignoran las pérdidas por suciedad y otras pérdidas térmicas. Se desea determinar la longitud total de los tubos cuando hay 4 hilos de tubos. 4 tuberías de intercambio térmico; ai = 4^0,8 = 1819 W/m²·°C. K0’ = 1156 W/m²·°C. ΔTm = 37,8 °C. Q = Wc·Cp·(t2 – t1) = 10800/3600 * 4,18 * (100 – 15) = 1065,9 KW. S0’ = Q/K0’. ΔTm = 1065,9 * 1000 / 1156 / 37,8 = 24,4 m². L’ = S0’ / (π·n·d0) = 24,4 / (160 * 3,14 * 0,025) = 1,94 m. 4) Existe un intercambiador de calor de 15 m², donde el vapor saturado fluye en el lado del casco para calentar el aire dentro de las tuberías. El vapor de agua a 160°C se condensa en agua a la misma temperatura. Flujo de aire: 2,8 kg/s; temperatura de entrada: 30 °C; capacidad calorífica específica: 1 KJ/KG·°C; coeficiente de transferencia de calor por convección: 87 W/M²·°C. Se desea determinar la temperatura de salida del aire. El vapor se convierte en aire; por lo tanto, K~~a aire = 87. Además, Q = WcCp(t2-t1) = KS dt. Entonces, 2.8*1000(t2-30) = 87*15*(t2-30)/Ln((160-30)/(160-t2)). De esto se obtiene que t2 = 78.4°C. En un intercambiador de calor con una superficie de transferencia de calor de 50 m², se utiliza agua de enfriamiento a una temperatura de 20°C y con un caudal de 33000 kg/h, para enfriar ácido acético cuya temperatura de entrada es de 110°C. Los dos fluidos fluyen en dirección contraria. Después de limpiar el intercambiador y ponerlo en funcionamiento, las temperaturas de salida del agua de enfriamiento y del ácido acético son de 45°C y 40°C respectivamente. Después de un tiempo de funcionamiento, el caudal y la temperatura de entrada de los fluidos no cambian, pero la temperatura de salida del agua de enfriamiento disminuye a 38°C. ¿Cuál es entonces la resistencia térmica causada por la suciedad? Calor específico del agua 4200 J/KG/K, ignorando los cambios en las propiedades físicas. W1CP1/W2CP2 = t2 – t1 / (T1 – T2) = 45 – 20 / (110 – 40) = 0,357.
ΔTm = (T1 – T2) – (T2 – T1) / ln(T1 – T2) / (T2 – T1) = 38,2 °C.
K = W2CP2 * (t2 – t1) / A.
ΔTm = 33000 / 3600 * 4200 * (45 – 20) / 50 / 38,2 = 504 W/M²·K.
Después del funcionamiento, T2’ = T1 – W2CP2 * (t2 – t1) / W1CP1 = 110 – (38 – 20) / 0,357 = 59,6 °C.
ΔTm’ = 54,2 °C.
K’ = W2CP2 * (t2 – t1) / A.
ΔTm’ = 255,7 W/M²·K.
1/504 = 1/a1 + 1/a2; 1/255,7 = 1/a1 + 1/a2 + R. Al restar, se obtiene R = 1,93 * 10^-3 M²·K/W.
6). Un intercambiador de calor de tipo tubular compuesto por tubos de 57 mm * 3,5 mm y 89 mm * 4,5 mm. Una solución fluye dentro de los tubos, con un caudal de 5 t/h. La temperatura de la solución disminuye de 65 °C a 35 °C. El coeficiente de transferencia de calor por convección es a2 = 1510 W/M²·°C. El agua de enfriamiento fluye en contracorriente entre los tubos; su temperatura de entrada es de 25 °C y su temperatura de salida es de 40 °C. El coeficiente de transferencia de calor debido al flujo del agua de enfriamiento es a1 = 3270 W/M²·°C. Se ignoran las pérdidas térmicas y la resistencia térmica de las paredes de los tubos y de la suciedad. Se sabe que el calor específico promedio de la solución es de 2,6 kJ/kg·°C. ¿Cuál es la longitud teórica de los tubos del intercambiador de calor? Q = WhCph(T1 – T2) = 5000/3600 * 2.6 * 1000 * (65 – 35) = 1.083 * 10^5 W. Dado que t2 > T2, se trata de un flujo en contracorriente. deta tm = 16.37 °C; K = 942.71 W/m²·°C. L = Q/K * deta tm. d = 39.19 m. El coeficiente de transferencia de calor por convección cuando el fluido fluye a través de un tubo circular de diámetro interno de 50 mm es de 100 W/m²·°C. En este caso, Re = 10^5, lo que indica un estado de calentamiento por turbulencia dentro del tubo. Si se utiliza en su lugar un tubo rectangular cuya longitud sea igual al perímetro del tubo circular y cuya relación entre altura y ancho sea de 1:3, manteniendo constante la velocidad del fluido, ¿cuál será el nuevo coeficiente de transferencia de calor por convección? Supongamos que la altura del rectángulo es a y su ancho es b. Se tiene que a/b = 1/3. Además, 2(a+b) = πd. Por lo tanto, a = πd/8 y b = 3πd/8. El valor de de es 2ab/(a+b) = 0,0294 m. Re’ = de·pu/u = 0,0294 pu/u; Re = 0,05 pu/u. A’/a = 0,023·lanbuda/(De^(0,8)·Pr^(0,4))/0,023·lanbuda/(Re^(0,8)·Pr^(0,4)) = 0,05/0,0294·(0,0294/0,05)^(0,8) = 1,112. Por lo tanto, A’ = 1,112·100 = 111,2 W/m². Las paredes de la chimenea están construidas con un material refractario de 120 mm en la capa interior y un material de construcción de 230 mm en la capa exterior. El coeficiente de conductividad térmica de ambos materiales es desconocido. Se midió una temperatura de 800 °C en la pared interior del horno, y de 113 °C en su pared exterior. Posteriormente, se cubrió la superficie exterior de los materiales de construcción con aislante de amianto, cuyo espesor era de 50 mm y cuyo coeficiente de conductividad térmica era de 0,2 W/M·°C, con el fin de reducir las pérdidas de calor. Después del aislamiento, la temperatura en la pared interior del horno es de 800 °C; en la interfaz entre los materiales refractarios y los materiales de construcción, la temperatura es de 686 °C; en la interfaz entre los materiales de construcción y el amianto, la temperatura es de 405 °C; y en la superficie exterior del amianto, la temperatura es de 77 °C. ¿Cuál es el porcentaje de reducción en la pérdida de calor después de aislar con amianto? Antes del embalaje: Q/A = (t1-t3) / (s1/lanbuda1 + s2/lanbuda2). Q’/A = (t1-t3’) / (s1/lanbuda1 + s2/lanbuda2). Porcentaje de disminución: (Q/A – Q’/A) / Q/A = (t3’-t3) / (t1-t3) = 405-113 / 800-113 = 42.5%.
9). Un tubo de vapor con un diámetro exterior de 100 mm está revestido por un material aislante de 50 mm de espesor, cuya constante de conductividad térmica es LANBUDA A = 0.05 W/m²·K. Este material aislante está a su vez revestido por otro material aislante de 25 mm de espesor, cuya constante de conductividad térmica es LANBUDA B = 0.075 W/m²·K. Las temperaturas en la superficie interior de A y en la superficie exterior de B son respectivamente 170 °C y 38 °C. Se desea determinar la temperatura en la interfaz entre A y B. La pérdida de calor por cada metro de longitud del tubo es Q/L = 2PAI × (t1 – t3) / (1/lanbudaA × Ln(r2/r1)) + 1/lanbudaB × Ln(r3/r2) = 49,3 W/m. También se tiene que 2PAI × (170 – t2) / (1/0,05 × Ln(100/50)) = 49,3; por lo tanto, t2 = 61,3 °C. Se trata de un condensador compuesto por tubos de tipo Q25*2,5 MM, con una longitud efectiva de 3,0 m. El refrigerante fluye a través de los tubos a una velocidad de 0,7 m/s. La temperatura del refrigerante aumenta de 20 °C a 50 °C. Flujo de 5000 kg/h, temperatura de 75 °C. El vapor saturado se condensa en agua a la misma temperatura. La energía latente es de 310 kJ/kg. Se ha determinado que el coeficiente de transferencia de calor por condensación del vapor es de 800 W/m²·K. El coeficiente de transferencia de calor por convección del refrigerante es de 2500 W/m²·K. La resistencia térmica debido a la suciedad en el lado del refrigerante es de 0,00055 m²·K/W. La resistencia térmica debido a la suciedad en el lado del vapor y la resistencia térmica de las paredes de los tubos se consideran despreciables. Calcule el área de intercambio térmico de dicho intercambiador, y determine el número total de tubos de intercambio térmico así como el número de circuitos en el mismo. La capacidad calorífica del refrigerante es de 2,5 KJ/KG·°C, y su densidad es de 860 kg/m³. La cantidad de calor liberada por el vapor es Q = qm·r = 5000/3600·310·1000 = 4,31·10^5 W. La temperatura media es de 38 °C. La constante K se calcula como K = 1/a1 + 1/a2·(d1/d2) + Rs²·(d1/d2); en este caso, K = 410 W/m²·°C. El área de intercambio de calor es A = Q/K·ΔTm = 27,2 m². La cantidad de refrigerante necesario es qm² = Q/Cp·(t2-t1) = 4,31·10^5 / 2,5·10^3·(50-20) = 5,75 kg/s. El número de tubos necesarios para cada paso de intercambio de calor se calcula a partir de la cantidad total de refrigerante y del caudal de refrigerante por tubo: ni = qm²/0,785·d2. El valor de uP2 es 5,75/0,785/0,02·0,02/0,7/860 = 30. El área de intercambio de calor por tubo es Ai = ni·PAi. El largo total de los tubos es L = 30·3,14·0,025·3 = 7,07 m². El número total de tubos es N = A/Ai = 27,2/7,07 = 3,9. Redondeando, N = 4. Por lo tanto, el número total de tubos es 30·4 = 120.
Espero que el autor siga compartiendo, seguiré pendiente :)